張亞娟

(中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065)

0 引 言

為了在氣候?qū)嶒炇夷M飛機起飛、著陸遭遇強雨雪及濃霧等惡劣天氣的飛行情況，中國飛機強度研究所于2018年建成了可移動、可升降、開放式、低速風洞試驗裝置。與傳統(tǒng)低速風洞相比，具有使用方便、結(jié)構(gòu)簡單、試驗段截面覆蓋面積大、氣流品質(zhì)良好等特點。該風洞采用移動+升降+開放式的設計理念，并采用皮托管和微差壓變送器組成的測量系統(tǒng)來測定氣流品質(zhì)，用于確定試驗截面位置變化與氣流品質(zhì)的關(guān)系。

目前，針對風洞氣流品質(zhì)的研究集中于試驗區(qū)截面內(nèi)各個測試點的氣流特性，研究方式主要為風洞有限元仿真分析[1-2]和風洞實驗測試。例如，鄭則浩等[3]用皮托管測量可移動式環(huán)境風洞氣動特性，得到了實驗截面內(nèi)氣流規(guī)律；胡丹梅等[4]采用五孔探頭對回流式低速風洞流場品質(zhì)進行了測試；陳德華等[5]對2.4 m跨聲速風洞槽壁試驗段流場進行校測試驗；胡琨等[6]利用IFA300熱膜風速儀測量了直流低速風洞試驗段流場。

筆者通過對新建開放式風洞試驗區(qū)的氣流進行測試分析，進而對風洞的總體性能進行評價，為實驗室氣候環(huán)境模擬提供支持。比如開放式風洞所產(chǎn)生出的水平強氣流與氣候?qū)嶒炇业呢Q直降雨系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)配合，在實驗室內(nèi)可實現(xiàn)全尺寸飛機風擋雨刷系統(tǒng)風吹雨試驗的真實模擬，解決目前飛機風擋雨刷系統(tǒng)風吹雨試驗只能在外場自然環(huán)境條件下進行、試驗周期長、費用大的難題。

1 可升降開放式風洞的結(jié)構(gòu)

可升降開放式風洞是氣候環(huán)境實驗室主要環(huán)境模擬裝置之一，其主要功能是在實驗室進行吹風模擬試驗，需為以下實驗室環(huán)境試驗提供滿足要求的流場環(huán)境：

(1) 用于風吹雨試驗，考核飛機重要部位密封結(jié)構(gòu)及除雨設備的功能和性能。

(2) 用于風吹雪試驗，考核飛機重要部位除雪設備的功能和性能。

(3) 結(jié)合降霧試驗系統(tǒng)，開展地面霧試驗，考核飛機機載光學設備在濃霧條件下的功能和性能。

(4) 結(jié)合凍雨試驗系統(tǒng)，開展地面凍雨積冰試驗，考核飛機地面除冰設備功能和性能。

開放式風洞尺寸為長9.2 m×寬4 m×高4 m，出風口尺寸為寬2 m×高2 m，保證距出風口4 m處吹風試驗段有效面積不小于1 m2(高×寬=1 m×1 m)。洞體結(jié)構(gòu)主要包括入口段、動力段、圓方過渡段、等直段、收縮段、加強筋及法蘭連接等結(jié)構(gòu)；其中動力段內(nèi)安置四臺風機，等直段內(nèi)安裝可以勻直氣流的蜂窩器和阻尼網(wǎng)[7-8]，收縮段內(nèi)在洞口對稱安裝2套皮托管用于風洞風速測試，風洞氣動輪廓圖及示意圖如圖1所示。

圖1 開放式風洞氣動輪廓圖1.風機系統(tǒng) 2.圓方過渡段 3.等直段 4.收縮段

風機采用變頻電機驅(qū)動，電機功率為250 kW，保證出口風速5～55 m/s連續(xù)可調(diào)[9]。風速控制原理如圖2所示，風洞的風速測量采用西門子S7300PLC為核心的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)主要包括控制計算機、S7300PLC、矢量變頻器及風速傳感器等。以西門子WINCC組態(tài)為控制界面，以太網(wǎng)連接PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，PLC與變頻器采用profibus DP通訊方式，用以控制變頻器帶動電機運行，并實現(xiàn)PID閉環(huán)控制，同時計算機實時監(jiān)控風機運行的多項系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)整個風洞穩(wěn)定運行。

圖2 開放式風洞風速控制原理圖

2 測試方法

2.1 測試設備

采用皮托管和微差壓變送器組成的測量系統(tǒng)來測定氣流速度，通過風洞控制系統(tǒng)把風速實時顯示在工控機上，并能對風速進行5～55 m/s無極調(diào)控。利用支架將五孔探頭安裝在待測位置進行測量，五孔探頭長300 mm，直徑12 mm，通過軟管將掃描閥9116通道和五孔探頭的測孔相連，采集測孔的壓力值。掃描閥共有16個通道，量程10英寸水柱，精度0.01%，五孔探頭結(jié)構(gòu)件如圖3所示。

圖3 五孔探頭結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 測試項目

2.2.1 測試位置

該開放式風洞試驗區(qū)距出風口4 m。測試區(qū)域為風洞試驗區(qū)，試驗區(qū)為距離出風口下游4 m正前方的垂直面上，以出風口中心軸線與垂直面的交點為中心組成一個高1 m×寬1 m，面積為1 m2的正方形區(qū)域，試驗區(qū)位置示意如圖4所示，其中(a)圖風洞中心軸線距地面3 m，(b)圖風洞中心軸線距地面6 m，(c)圖風洞中心軸線距地面8.7 m，測試截面分別為截面A、截面B和截面C。

圖4 風洞氣動特性測試位置示意圖

在測量截面處安裝測量裝置，截面內(nèi)測量點分布如圖5所示。風洞氣流測試現(xiàn)場如圖6所示。

圖5 風洞試驗區(qū)截面測量點示意圖 圖6 開放式風洞氣流測試現(xiàn)場

2.2.2 最大風速

測出試驗區(qū)中心最大、最小風速，確定可用風速范圍，其方法是在試驗區(qū)中心安裝一支皮托管，使皮托管軸線與試驗區(qū)中心軸線重合。開放式風洞在最大、最小電機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)取8點運行。

2.2.3 風速不均勻度

測量開放式風洞距出風口4 m處風速截面，截面均勻分布約9個測試點：截面寬度方向3個位置，高度方向3個位置，中心點5距洞體下底面垂直距離為2 m。測試截面在常用風速下進行測量。

測量后用如下公式進行水平風速均勻性計算：

(1)

2.2.4 風速穩(wěn)定性

在試驗區(qū)中心軸線位置安裝皮托管一支。在常用速度范圍內(nèi)，測量速度隨時間的變化，在1 min之內(nèi)采集約120個點，計算出速度不穩(wěn)定性。

與均勻性測試大致相同，但只測中心一點的風速。在距洞口4 m處試驗區(qū)軸線中心安裝五孔探頭進行測試，在可用速度范圍內(nèi)選取20、30、40、50、55 m/s進行測試，測量1 min內(nèi)120個速度，取數(shù)據(jù)中最大風速和最小風速計算出速度穩(wěn)定性系數(shù)。公式為：

(2)

式中：Vmax為最大風速；Vmin為最小風速；V為風速目標值；η為風速穩(wěn)定性系數(shù)。

3 測試結(jié)果及分析

3.1 風速的仿真與測試分析

開放式風洞在溫濕度可調(diào)的密閉空間中使用，既要室內(nèi)大量取氣，又不能對實驗室保溫墻及周圍設備產(chǎn)生負壓影響，因此在設計階段就對風洞案的最大風速進行數(shù)值模擬計算分析，數(shù)值模擬采用ANSYS公司的FLUENT15.0求解器。求解器設置為基于壓力的定常計算模式，采用SIMPLE算法，湍流方程為k-e，標準壁面函數(shù)條件。

常溫封閉環(huán)境下，風扇壓增2150Pa時，開放式風洞出口處風速為55.37 m/s，如圖7所示為垂直和水平對稱面內(nèi)X方向速度分布和流線。氣流經(jīng)開放式風洞出口噴出后速度逐漸減小，流線略向下偏轉(zhuǎn)，接近遠場壁面時氣流向四周急劇擴散。擴散氣流一部分繞廠房一周后進入開放式風洞入口，一部分在廠房兩側(cè)回旋多圈后進入開放式風洞入口。

圖7 開放式風洞垂直和水平對稱面內(nèi)X方向速度分布

將五孔探頭安裝在距風機陣子系統(tǒng)噴口4 m遠處，使探頭軸線與系統(tǒng)軸線重合。通過風洞控制系統(tǒng)風速控制界面分別設定目標風速10、20、30、40、50、55 m/s，測試結(jié)果如表1所列。

表1 風速測試結(jié)果

由圖8可知仿真計算得到垂直和水平面內(nèi)最大風速都是正偏差，偏差值約為0.67%。由表1可知10～30 m/s之間風速是負偏差，30～55 m/s之間風速是正偏差，且隨著風速增高，風速偏差越來越小，最大風速精度達0.16%，風洞的最大風速滿足設計要求。

圖8 風洞三種截面內(nèi)9個測試點最大風速曲線

3.2 風速均勻性分析

如圖4所示，開放式風洞可以依托工裝節(jié)和升降機進行高度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為3.0～8.7 m，分別將風洞升到洞口中心距地面3.0、6.0、8.7 m并測試三種高度下截面A、截面B和截面C氣流均勻性，測試結(jié)果如表2所列。

表2 試驗區(qū)(1 m×1 m)內(nèi)風速均勻性測試結(jié)果

從表2可以看出，在三個截面風速不均勻度中，截面A的值最大，為2.36%；截面B為0.53%；截面C為0.22%；均滿足不均勻度≤±4%的指標要求，同時可以發(fā)現(xiàn)截面氣流不均勻度隨截面高度增加而減小。由圖8可知在截面B和截面C內(nèi)各個測點的最大風速不均勻度都較小，截面A內(nèi)測點4、5、6的不均勻度也較小，其它測點的不均勻度偏大，由此可見該風洞風速均勻性在高空時明顯好于近地面處，截面中心部位的風速均勻性也明顯好于其它部位。

3.3 氣流穩(wěn)定性分析

與均勻性測試大致相同，將風洞分別升到截面A、B、C三種高度狀態(tài)下并測試氣流穩(wěn)定性，每種狀態(tài)下在距噴口4 m處風洞中心軸線高度安裝五孔探頭進行測試。在常用速度范圍內(nèi)，測量1 min內(nèi)120個速度，取數(shù)據(jù)中最大風速和最小風速計算出速度穩(wěn)定性系數(shù)。如表3所列是設定目標風速為20、30、40、50、55 m/s時最大風速和最小風速的測定值及風速穩(wěn)定性系數(shù)計算值，由表3可知風洞試驗區(qū)氣流穩(wěn)定性滿足設計要求(穩(wěn)定性≤±1%)。

表3 風洞風速不穩(wěn)定度測試結(jié)果

三種截面內(nèi)風速與風速不穩(wěn)定度之間的關(guān)系如圖9、10所示。

圖9 三種截面內(nèi)風速與風速不穩(wěn)定度關(guān)系曲線

由圖9可知，一般情況下穩(wěn)定性系數(shù)隨測試風速的增大而減小，截面A在風速40 m/s、50 m/s和55 m/s時穩(wěn)定性系數(shù)隨風速增加出現(xiàn)反向增加。由圖10可知，試驗區(qū)氣流穩(wěn)定性較好，穩(wěn)定性系數(shù)大多數(shù)在1%以下，截面A在風速20 m/s和55 m/s時穩(wěn)定性系數(shù)超過1%，截面C在風速20 m/s和30 m/s時穩(wěn)定性系數(shù)略微超過1%。

圖10 三種截面內(nèi)風速與風速不穩(wěn)定度之間的關(guān)系

比較發(fā)現(xiàn)該風洞風速穩(wěn)定性最好的是截面B,截面C次之，截面A穩(wěn)定性最弱，原因是開放式風洞氣流離開洞體受外界干擾較大，截面A離地面距離僅3 m,受地面影響氣流順流向下偏轉(zhuǎn)，中間位置的截面B由于受外界環(huán)境影響相對較小，因此氣流穩(wěn)定性最好。

4 結(jié) 論

文中提出了一種針對可升降開放式風洞的流場氣動特性測試方法，測試內(nèi)容包括風洞試驗區(qū)風速、氣流均勻性、動壓穩(wěn)定性等方面。測試分析數(shù)據(jù)表明，中國飛機強度所氣候環(huán)境實驗室的可升降開放式風洞具有良好的流場品質(zhì)，滿足設計要求，完全可以為氣候?qū)嶒炇覙O端氣候環(huán)境模擬試驗提供滿足要求的氣流環(huán)境。

(1) 開放式風洞最高風速可達55 m/s，試驗區(qū)有效吹風面積有1 m2,可以與實驗室淋雨設備組合，模擬飛機起飛及降落階段風擋系統(tǒng)風吹雨試驗環(huán)境。

(2) 通過風洞試驗區(qū)截面A、截面B及截面C風速均勻性測試結(jié)果分析，可得到該風洞風速均勻性在高空時明顯好于近地面處，截面中心部位的風速均勻性也明顯好于其它部位，符合風洞氣流一般特性。

(3) 通過風洞試驗區(qū)截面A、截面B及截面C風速穩(wěn)定性測試結(jié)果分析，可得到該風洞風速在30～50m/s之間，風洞所有試驗區(qū)有效面積內(nèi)風速穩(wěn)定性都良好，風洞最低位在風速為20 m/s和55 m/s時風速穩(wěn)定性略微差，風洞中間位在整個風速范圍內(nèi)穩(wěn)定性最好。